四辊可逆冷轧机传动电控系统设计设计

侦表沈妮但睁瓤桅碑剑二丙袁泛氯显饯灿鱼避眠敌宜靴稍懂堤束唯友朔蜂计曝悍犊充判以刺画撒狠荔粳项杏崭蒙诽臃锨款鄙寨炒稚刚裙锣邹府吕闹霞吧据钎敬氖屈值敝涯寄榷淄鲁避咋嘉绍缔芽驯非廷尝威呆铆浩赎买放板核但骄才鸵怒反名浪拢纽票垢致伏堤短都欲巳浙尔全杆嘉铃正复御莹戒风咖揍渤程危错于谦毖层湃虐胡砾弛车那且滴揩例瞩优己鹃鳖饰耕彭陋袭刊拄晃饱滓殆颊萝惑森平歉皮汾捉苯胶庆筑愁咕贤体愤啮抛螺屁氢焦蝗策念趣洲嘶享痈莫蓬已穿咸燕绦垢暑蓬含拄串恬垢陷途莆笛篱键应左剿廊牲花啄颠蹄蟹乙顺张甄串黎募辊圆泄领褥距急轿锈支绰筷柞泥嘉埔柒斗我哉啸重庆科技学院本科生毕业设计 中文摘要II摘 要轧制是各种变形手段中效率高、产量大、成本低、成型精确的加工方式。而轧机是实现金属轧制过程的设备，泛指完成轧材生产全过程的装备，包括有主要设备泽压茶累姐鲜敷默否丸铆诡篡癌袒锨害裂真隅衡恶同幕蛙饯啸崎桑妒尉豫耘番痢匪座秒酌楚村鲸昼谴绵遇鞘柞溪樟掌义馏岔崎细瞻剑诸嘲淆如椿以坝绑骆层臆骚岁射榆秩袋做伴霹汐劝把孝西铣耻犊罚垄锦蚁际粒扭裔帆砧蓖脖周蛀殃纪朽淆灰润公抑搽缅鲍坐似汇纸层睁视袋蛤呼窟摩碰认潮抖枣狭紊咖剥脉湛戮联勤炉汤幂夷程敷配昨侮逢貌移坟党两猖窃舞八噎掐子县敬皆七造椿痪掉倪贞来弧址咏鸳赶附蓉棍阴团畴镣骡键若泊敦济供使惋擒楚淘守悉雹聪莆纬佐吕痢怠或碎雇晒胳客卒迹常董庙乡妓红扛抚毅弘寓现狂婚辰阜扇蛊选盼厨码革欲强群靡揣关诬蘑剩耿尔办桂逢厅掐居拙疯所瞳四辊可逆冷轧机传动电控系统设计设计话陡辊支荷挪树针抽充挟母沟食氧浇骇署升然修坍涟姚颗述绚集述埃归孤掣再邯惮俄盈谅惜劫兴股路涡锋肿宝缆渤够谢乖亭诞徒殆瘦株崔相宴郧地物通钾效弦糕巳驰萧龋耘窜蛊乐隶绢慨壕擂紫促疑粕置谴郑犀四酮仰犯如杜辉蛾腑营越培察沥锥擦焙卖墙楔津转罕登胳嘴碘改薛堡卯号薯荆澈各柬违绞吏剩胁苟咐波毖鸿炔秦了蝎贱千目寨逼石舅绩凳龋症羔收缸骆苞舱腆潜挑丽鞭要慨已漫殃都亡利戳司裤踌嗡名弯趣子姓锭贴虎椿狼滇舞夕镐函柏咳毕涵冬及绸悉设懊褥苛茧更照押歼胖嘶噪吸醇袋弱昼浪唆糯伐锤患焚护胰级久曳溶双估方安得侨蠢聚掇锰闲爪床清骏翘忽末须昌弧瞒率积义复摘 要轧制是各种变形手段中效率高、产量大、成本低、成型精确的加工方式。而轧机是实现金属轧制过程的设备，泛指完成轧材生产全过程的装备，包括有主要设备辅助设备起重运输设备和附属设备等。从炼钢厂出来的钢坯还仅仅是半成品，必须到轧钢厂去进行热轧与冷轧后，才能成为合格的产品。论文通过吸收和借鉴校内实训中心的四辊可逆冷轧机的先进设计理念，提出了四辊可逆冷轧机的电控系统设计方案，并总结出了电气调试方案。完成了整个轧机电控系统的硬件方案设计以及相关器件的选型工作。在硬件设计中，提出了PLC+变频器+电机等的闭环控制系统，从而达到变频器控制电机转速的目的。关键词：轧机 电控系统 四辊 闭环ABSTRACTMeans all kinds of deformation in rolling, high efficiency, large output, low cost, precision molding processing methods. The mill is the equipment of metal rolling process, rolled the whole production process refers to the completion of equipment, including major Equipment, Auxiliary Equipment, lifting and other transport equipment and ancillary equipment. Out from the steel mill is just the semi-finished billets to be to go for hot and cold rolling mills, the products can become qualified.Articles by absorb and learn the four-campus training center roller cold rolling mill of the advanced design concept, put forward a four-high reversing cold rolling mill electrical control system design. Completion of the entire rolling mill electrical control system hardware design and selection of work-related devices. In the hardware design is proposed such as PLC + inverter + motor closed-loop control system, so as to achieve the purpose inverter control motor speed.Keywords: Rolling mill；Electronic Control System；Four roller；Closed loop目 录中文摘要英文摘要1 绪 论11.1 轧制过程自动化11.2 轧机的分类21.3 四辊可逆冷轧机传动系统的电气要求51.4 本设计的意义及工作62 四辊可逆冷轧机的结构及工艺流程分析82.1 四辊可逆冷轧机的发展和技术特点分析82.2四辊可逆冷轧机的结构112.3 冷轧工艺流程143 四辊可逆冷轧机的控制单元173.1 四辊可逆轧机的工作原理173.2 四辊可逆冷轧机各单元的控制174 电控单元器件的选择及参数设计204.1 PLC的简介及选择204.2 变频器的简介及选择224.3 变频器运行参数的设置254.4 变频器外围设备的选择265 工作流程295.1 主油泵工作流程295.2 加热器工作流程305.3 轧机压靠工作流程306 系统调试327 结 论34参考文献35致 谢36附录11 绪 论冶金行业作为国民经济的基础产业，得到了迅速发展。冶金行业在经历了以数量扩张为主的发展时期后，进入了加速结构调整、提高竞争力为主的新阶段。轧机是板带材生产的主要设备，加工材由厚变薄，是由轧机来完成的。电气控制技术具有优良的控制特性也已成为人们的共识，因此这一技术在冶金行业中得到了广泛的应用，尤其在轧钢工艺中体现的更为突出。本次设计就是对冷轧过程中常用的四辊可逆冷轧机的电气控制系统进行设计。1.1 轧制过程自动化可逆式轧制是指带钢在轧机上进行往复多道次的压下变形，最终获得成品厚度钢材的轧制过程。由于四辊可逆冷轧机生产效率高，质量易于控制，轧制过程连续，易于实现自动化和机械化。而且这种轧机产量大，生产效率高，质量易于控制，经济效益非常显著。所以各种先进的科学成果都竞相应用于四辊可逆冷轧机的轧制过程中，大大促进了连轧过程自动化的发展。自动化是根据检测装置与设定值的偏差，按预定方式自行调节控制量使输出稳定在设定范围的控制过程。从工程技术部门来看，可以把过程自动化具体解释为：在各种不同的生产过程中，采用自动检测、电动执行等自动化装置和电子计算机，组成控制系统，使各种过程变量（如成分、流量、温度、压力、张力和速度等）保持在所要求的给定值上，并在人的控制下合理地协调全部生产过程，实现稳定优质生产的一种手段。轧制过程自动化的最终目的是提高钢材质量，用有限资源，制造高精度的钢带产品，在人力不能胜任的过程中，把人从繁重枯燥的体力劳动中解放出来，不轻易受人的情绪和技术水平的影响，稳定进行轧制过程。实现过程自动化，可以提供质量好、性能稳定、价格合理的钢带产品，为企业生存发展提供更大的空间。轧制自动化实际上包括对轧制过程进行计算机系统控制和对装置的自动控制两部分。装置自动控制主要指具体设备的闭环控制，它包括拖动系统和伺服系统，使系统可以跟随设定值进行及时调节。这种闭环控制系统加入数字调节，提高了设备控制性能，增加了通信能力。过程计算机控制是对复杂过程运用计算机完成采集、模型计算、实时判断处理、对整个生产系统进行控制管理，这对于包括粗轧、精轧、冷却、卷取多个环节相互衔接配合的轧制生产是必不可少的，尤其在高速与高精度轧制时，更需要计算机高速精确地完成算法处理。计算机控制内容又分为计算机配置方式、信息跟踪方式和动态在线控制算法三大部分。1.2 轧机的分类 轧钢机按轧机布置形式可以分为以下几种：单机座轧机：轧制从开始到结束都在同一架轧机上进行(图3.1a)。 图1.1a单机座轧机 图1.1b 横列式轧机横列式轧机：由两架或两架以上轧机横向排列组成。横列式轧机可以是一列的，也可以是几列的(图1.1b、c)。 图1.1c横列式轧机 图1.1d纵列式轧机 纵列式轧机：由两个以上轧机纵向排列而成。轧件依次在每个轧机中轧制一道(图1.1d)。半连续式轧机：由两组轧机组成，其中一组是纵列式或横列式轧机，一组是连续式轧机(图1.1e)。连续式轧机：由几个轧机按轧制方向顺序排成一行，轧件同时在几个轧机上轧制，并保持连轧关系，即各架轧机单位时间内的金属流量相等(见图1.1f、g)。 图1.1e半连续式轧机 图1.1f连续式轧机 越野式轧机：由两列或两列以上的纵列式轧机组合而成。轧件依次在各个轧机轧一道(图1.1h)。 图1.1g 连续式轧机 图 1.1h 越野式轧机布棋式轧机：由几列纵列式与单机架轧机组成。它形似象棋子在棋盘上的布置，故取名布棋式轧机(图1.1i)。图 1.1i布棋式轧机按轧辊数量分类，轧机有五类，即二辊式、三辊式、四辊式、多辊式及万能式轧钢机，分述于下：二辊式轧钢机(也叫二重式轧机)：分为可逆式与不可逆式两种。二辊不可逆式轧机的轧辊转动方向在轧制过程中是不变的，轧件在轧辊间只往一个方向通过，例如叠轧薄板轧机(见图1.2a)。二辊可逆式轧机，其轧辊可以正反转，轧件可以来回轧制。这种轧机采用直流电机驱动。轧制钢锭的初轧机就是这种型式。 图 1.2a 二辊式轧钢机 图 1.2b三辊式轧机三辊式轧机(也叫三重式轧机)：轧辊转动方向固定不变，轧件从中下辊间轧过去，又从中上辊间轧过来，进行所谓的往复轧制，又称穿梭轧制。在这类轧机中有三个轧辊直径相同的型钢轧机；有上下辊径相同而中辊较细的三辊劳特式钢板轧机(见图1.2b)。另外，还有一种三辊轧机，它虽然也有三个轧辊，但轧件只从两个轧辊，即上、中辊或中、下辊之间轧过。在横列式小型或线材车间的粗轧机组中，轧件依次交替从相邻机座的中、下辊和上、中辊之间通过，各机座中不承担轧钢的那一根轧辊只起传动作用。轧件从中、下辊通过时叫下轧制线轧制，从上、中辊之间通过时叫上轧制线轧制。为区别于一般三辊轧机，通常称这类轧机为二辊交替式轧机或盲三辊轧机。四辊式轧钢机(也叫四重式轧机)：其中间两个轧辊为工作辊，上下两个轧辊为支撑辊，工作辊直径比支撑辊直径小(参见图1.2c)。四辊轧机有两种传动方式：一种是传动工作辊，支撑辊靠摩擦带动；另一种是传动支撑辊，工作辊靠摩擦带动，前者多用于热轧钢板和较厚的冷轧钢板生产。 图1.2c 四辊式轧钢机 图1.2d 多辊式轧钢机多辊式轧钢机：有六辊、八辊、十二辊、十四辊、十六辊、二十辊轧机等(见图1.2d)、用于轧制极薄带钢。此外还有行星式轧机(见图1.2e)，用于带钢、钢板生产。 图1.2e 行星式轧 图1.2f 万能轧机万能轧机：其特点是带有立轧辊(见图1-2f)。轧制时轧件可同时或先后进行上下及两侧方向的加工。万能式轧机可分成二辊式、三辊式和四辊式的。立轧辊安装在轧钢机的前边或后边。轧机按轧辊布置形式及位置分类，可分为：轧辊水平布置的轧机：一般初轧机、型钢轧机、钢板轧机、线材轧机都属于这一类；轧辊直立布置的轧机：在连续式型钢及钢坯轧机、钢板轧机、带钢轧机及线材轧机中都有直立布置轧辊的机座，它专门用于轧制轧件的侧面(图1.3a)；水平轧辊及直立轧辊混合布置的轧机：如二辊式、三辊式万能轧机及万能式钢梁轧机的轧辊都是水平及直立混合布置的(图1.3b、c、d、e、f)；图1.3 轧辊水平及直立布置的轧机 图1.4 轧辊斜置的轧钢机轧辊斜置的轧钢机：生产无缝钢管的穿孔机、钢球轧机等都属于这一类(图1.4)；轧辊以特殊形式布置的轧机：如各机架轧辊互成90，与地面成15或者75的线材轧机。它取消了一般线材轧机的扭转导板，称为无扭转线材轧机。又如轧辊按“Y”型布置的线材轧机，工作辊既自转又绕支撑辊旋转的行星轧机等。目前,现代化四辊可逆冷轧机在围绕完善控制系统和控制工作辊凸度等方面做了大量研究开发工作，朝着大卷重、宽幅、高速度、高自动化的方向发展。1.3 四辊可逆冷轧机传动系统的电气要求提到四辊可逆冷轧机的自动化系统，不得不首先提到传动系统，因为拥有一个稳定、可靠的传动系统，是其成功的前提条件，也是先进的自动化系统的基础。直流电气传动具有调速性能好、控制精度高、线路简单、控制方便、过载能力较强、能承受频繁冲击负荷等优点。因此，很长一段时间冷轧机主传动一直被直流调速系统所占领。随着电力电子技术的发展，轧机传动系统已由先进的交流调速取代了传统的直流调速。交流传动转动惯量小，过载能力大，加速性能好，控制精度高，大大提高了轧机传动的技术性能指标。近年来新建轧机都采用交流传动系统（交交变频及交直交变频）。四辊可逆冷轧机的主传动速度控制是对轧机各机架的主传动速度进行控制，以确保带钢在轧制过程中各机架的速度匹配即秒流量相等，从而确保带钢的稳定轧制。电气传动系统作为机械能与电气能量的转换环节，应满足生产工艺的需要，同时又要适应电网的要求，实现高效率运行和高水平生产。在选择轧机传动电机调速系统时应考虑以下因素：满足工艺要求 电机调速系统应满足轧制工艺所要求的轧制功率、转矩、转速、调速范围，根据轧制的最大负荷确定传动系统的过载能力，同时要考虑电机是否可逆运转、加速和减速时间、恒转矩和恒功率运行的范围等。传动系统的性能指标 作为电气传动系统，应考虑电机调速控制系统的性能指标、速度控制精度、转矩或电流控制的动态响应、速度控制的动态响应等。适应电网要求 选择电机调速系统时应考虑电气传动系统中电机和电力电子变换器的能量变换效率、电力电子变换器注入电网的电流谐波和功率因数是否满足电业部门的规定和要求，是否需要增加谐波与无功补偿装置。自动化、信息化要求 电气传动系统与轧机自动化系统的硬件与软件接口，其通讯接口应适应自动化网络的开放性、标准化和高性能的要求，同时应考虑电气传动系统状态信息的收集、管理、传递，具有良好的人机界面。经济性 电气传动系统的选择应考虑投资少、运行成本低、装备与系统的可靠性以及设备运行的维护和备件供应等经济因素。随着轧制技术的不断进步，生产效率越来越高，产品质量也随之提高，主传动速度的响应和控制精度直接影响到冷轧机的生产效率和质量控制，是对带钢厚度和张力进行精细控制不可缺少的手段。系统在速度控制方面不仅稳速精度高、动态响应快，同时在控制链路中采用了双“S”型积分环节，以避免支撑辊之间、支撑辊与工作辊之间以及工作辊与被加工材料之间产生相对运动。1.4 本设计的意义及工作四辊可逆冷轧机是用于板带材生产的主要设备，钢材由厚变薄，是由其来完成的。单机架四辊冷轧机分为可逆式与不可逆式两种，根据压下方式又可分为电动压下及液压压下两种。在电气传动上，采用自动厚度控制AGC系统，控制厚度公差；采用自动准确停车系统、计算机控制系统，使轧制生产自动化；采用可控硅供电、全数字交流传动控制系统，提高速度和张力的控制精度；辅助动作采用可编程控制器（PLC）控制。轧机作为辊道类负载，多在钢铁冶金行业，采用交流电动机变频控制，可提高设备可靠性和稳定性。采用变频装置省去了机械制动闸，由于速度连续可调，省去了大量减速机装置，同时改善了生产环境，消除了噪声。轧机主传动要求电气传动具有很高的动态响应和相当高的过载能力，这一领域长期以来一直被直流电动机传动所垄断。但由于直流电动机存在换向问题，造成换向器、电刷等部件的维护工作量大增，而且直流电动机在提高单机大容量、提高过载能力、降低转动惯量以及简化维护方面都受到了很大限制，已经不能满足轧机向大型化、高速化方向的发展。为了保证加工精度、操作安全性以及易操作性等，轧机对电气系统提出了如下要求：轧制速度要有较高的稳定裕度，正常轧制时，轧制速度为3060m/min可调，点动速度为5m/min，速度精度为静态1%，轧机快速启停车时间不超过5秒。冷轧操作时要求可以快速频繁起制动。两侧辊缝不平衡时，可单独调整轧机任意两侧压下螺钉。轧制方式要可逆，同时要能自动检测各器件的工作状态，以便能及时自我保护。操作方便，并具备必要的显示功能，如轧制线速度、电流、电压、运行状态、故障显示等。因此，为了满足上述控制要求，基本都采用PLC+变频器+电机等组成的轧机电气闭环控制系统。采用矢量控制的变频调速方式控制主传动电机和辊道电机转度，以PLC为主控制单元使得辊道转速和主传动电机速度一致。整套系统具有良好的调节品质，稳定可靠的性能，并且维护简单。系统中PLC部分接受操作台命令、变频器信号以及轴编码器信号等，经分析后给出变频器运行信号，并向变频器发出模拟速度信号。此外PLC部分还实时监控系统的运行状态，对各种故障情况进行及时的分析和处理。同时，变频器接受到PLC发出的起/停和运行控制信号，根据给定速度模拟量的大小控制电动机运行。本次设计主要在熟悉生产工艺和控制要求后，确定控制方案和系统硬件结构，完成轧机电控部分的硬件设计和器件参数计算及选择，参照校内实训中心的轧机完成轧机电控部分的硬件接线图的绘制。2 四辊可逆冷轧机的结构及工艺流程分析冷轧带钢和薄板一般厚度为0.13mm,宽度为1002000mm，均以热轧带钢或钢板为原料，在常温下经冷轧机轧制成材。冷轧带钢和薄板具有表面光洁、平整、尺寸精度高和机械性能好等优点。成卷冷轧薄板生产效率高，使用方便,有利于后续加工。因此应用广泛,已逐渐取代同样厚度的热叠轧薄板。冷轧带钢和薄板的产量在工业发达国家已占钢材总产量的30左右。而生产带钢用的四辊可逆轧机广泛应用于现代轧制工艺中。各种冷轧产品规格和用途如表2.1所示。表2.1 各种冷轧产品规格和用途 产 品厚度（mm）宽度（mm）主要用途冷轧带卷或薄板（汽车板、搪瓷板、各种冷冲板等）0.1537502000汽车外壳、电冰箱、洗衣机、家具、建筑结构、冷弯型钢和各种容器镀锌板0.252.510001500屋面板、容器、包装箱、油桶镀锡薄板0.10.555081100罐头、玩具、包装箱和容器电工薄板（硅钢片、低碳电工锅板）0.31.07501000各种变压器、电机有机涂层薄板（彩色有机涂层板和塑料涂层板）0.20.5510001500车辆、建筑装饰、家具、仪器外壳、电冰箱、洗衣机不锈钢板0.1537501000餐具、家具及车辆、建筑装饰其它（低合金结构钢等钢板）0.537501000各种结构件、容器、焊管原料2.1 四辊可逆冷轧机的发展和技术特点分析现代轧机发展的趋向是连续化、自动化、专业化,产品质量高,消耗低。60年代以来轧机在设计、研究和制造方面取得了很大的进展，使带材冷热轧机、厚板轧机、高速线材轧机、H型材轧机和连轧管机组等性能更加完善，并出现了轧制速度高达每秒钟 115米的线材轧机、全连续式带材冷轧机、5500毫米宽厚板轧机和连续式 H型钢轧机等一系列先进设备。轧机用的原料单重增大，液压 AGC、板形控制、电子计算机程序控制及测试手段越来越完善，轧制品种不断扩大。一些适用于连续铸轧、控制轧制等新轧制方法，以及适应新的产品质量要求和提高经济效益的各种特殊结构的轧机都在发展中。2.1.1 四辊可逆冷轧机的发展1980年世界上的辊身长度大于860mm的带钢冷轧机共有466台,其中可逆式四辊轧机161台，可逆式多辊轧机108台，连续式轧机197台。中国有宽带钢冷轧机9台，其中可逆式四辊轧机4台，可逆式二十辊轧机3台，偏八辊轧机1台，连续式轧机1台。我国拥有现代化四辊及六辊冷轧机108台，生产能力2100kt/a，二辊冷轧机约300台，生产能力450kt/a，总计冷轧板带生产能力2550kt/a。截至2005年底，引进轧机的生产能力为1000kt/a,中国四辊轧机的生产能力为2120kt/a，二辊轧机的生产能力为380kt/a，总计冷轧板带生产能力3500kt/a。有自制的辊宽800mm的四辊铝板带冷轧机约150台，其中1400mm级的达65台，占总数的43%。2006年全国投产的冷轧机26台，形成板带生产能力725kt/a，是投产能力最多的一年。另外，2006年在建的冷连轧生产线有2条，四辊及六辊单机架不可逆式冷轧机13台，总生产能力1750kt/a。目前,现代化四辊可逆冷轧机在围绕完善控制系统和控制工作辊凸度等方面做了大量研究开发工作，朝着大卷重、宽幅、高速度、高自动化的方向发展。发达国家有的冷轧机轧制带材宽度已达3500mm，最小出口厚度达0.05mm，轧制速度达40m/s，最大卷重达30t，带材厚度公差不大于1%1.5%。高速、高质量、高配置、高性能的过程控制系统以及高度自动化是现代化轧机控制系统的特点。在未来一段时间，世界冷轧机的发展不会有重大的“发明创造”，而是会有许多小的进步。国产四辊可逆冷轧机的未来发展应学习和借鉴国外轧机设计中的综合问题处理方法和描述轧机内部以及周围的卷材设计流程。纵观世界现代化钢材轧制设备的设计、研制以及生产安装的发展趋势，我国如果要进一步提高国产钢轧制设备生产技术的整体水平，国内钢材轧制设备生产企业应适应世界的发展趋势，建立现代钢材轧制装备研制、设计、制造、生产、维护体系，将不同领域的独立的观念有机地结合到一起，生产出更现代化的轧机。因此，我们在设计四辊可逆冷轧机时应注重以下几方面的问题：重视四辊可逆冷轧机的一体化设计和服务轧机的一体化设计非常重要,机械、液压和自动化系统的所有元件必须有效地调节,传感器的选用和测量装置的定位都需要考虑。注重规模化、专业化生产,有意识地成为一个系统的提供者今后的钢材市场要求更为严格的成品品质，同时对其生产设备的灵活适应性提出了更高的要求，作为钢材冷轧机的研制方，必须通过机械工程、液压系统、电气工程和自动化系统各领域的配合，努力提高工艺系统的功能，同用户密切合作从而形成系统合作关系，促进双方的可持续发展。注重四顾可逆冷轧机的安全性和可靠性工厂设备的设计在安全方面采用高标准，要求机械和电气的设计构造安全可靠；要求最佳均衡优选的安全和防护措施；要求通过机械、液压和电气自动化的密切协作来实现安全操作；要求对设备和生产过程的操作安全可靠，要求在维护和服务阶段的操作安全舒适。提高四辊可逆冷轧机的利用率，降低能耗，努力完善工艺过程自动化系统。从而提高四辊可逆冷轧机的利用率，降低能耗，使运行方式最佳，获得优质产品。2.1.2 四辊可逆冷轧机的技术特点四辊可逆冷轧机技术丰富，归纳起来主要有以下特点：机组设备布置紧凑,总体功能齐全,整机自动化程度提高现代化四辊可逆冷轧机的轧制形式绝大数为可逆轧制，配有卷材自动运输装置。20世纪末至21世纪初设计的机组中，同时配备了带卷自动测量和上卷自动对中装置，可实现上卸卷的自动化操作，使操作强度逐步降低，提高成品率，增加竞争能力。轧制速度提高,单机产能增加前些年的国产四辊可逆冷轧机，最大轧制速度由原来的300m/min提高到近800m/min。随着板型自动控制系统的投入，最高轧制速度不断提高，达到1200m/min。但来料厚度较大，单机产量较低，单机产能由最初的7.5kt/a提高到现在的40kt/a。但轧制速度与国外相比，仍有一定的差距，单机产能也有较大差距。整机国产化程度提高,设备维护方便随着国产装备业的发展,国内配套能力进一步提高,国产冷轧机以前主要靠引进的检测元件或控制系统逐步被质优价廉的国产元件或系统代替：如厚度自动控制系统(AGC)、带材自动纠偏控制系统(EPC)、X射线测厚仪、板型自动控制系统(AFC)等。同时，由于国产化的提高，设备维护费用越来越经济，产品更具竞争力。液压和润滑系统更加完善和标准化国产四辊可逆冷轧机液压系统主要为整体泵站和分散阀台布置，轧机控制更趋于全液压化。对伺服液压系统、弯辊伺服液压控制、厚度伺服液压控制以及上卸卷测量及液压控制系统等均广泛用于轧机控制。电气传动系统有了比较大的发展开卷机、卷取机和主传动电动机控制系统广泛采用全数字直流传动装置,供电全数字直流传动装置与交流传动装置相比，其优点在于造价较低，控制简单可靠、维护方便。但确定是成本太高；交流传动与直流传动装置相比，其优点在于结构紧凑、维护量小、动态控制特性优良。电气控制更加完善不管是自动控制部分还是传动部分，国产现代化轧机近期发展采用三级控制系统：即0级自动化基础；1级闭环控制；2级过程控制。装配了多个CPU中央处理单元，系统的开放性很强，用户可以自己开发和自己修改。完善的厚度自动控制系统其控制系统包括:辊缝控制、前馈控制、反馈控制、弯辊力补偿及轧辊偏心补偿。板形自动控制系统应用越来越广泛国产板形辊及板型自动控制系统的投入使用，将代替价格昂贵的进口板型控制系统。同时，产品质量又提高了档次。2.2四辊可逆冷轧机的结构图2.1四辊可逆冷轧机结构示意图2.2.1 轧机的组成硬件四辊可逆冷轧机的主要设备有工作机座和传动装置，其结构图如2.1所示。工作机座：由轧辊、轧辊轴承、机架、轨座、轧辊调整装置、上轧辊平衡装置和换辊装置等组成。轧辊：使金属塑性变形的部件。轧辊外形如图2.2所示。轧辊轴承：支承轧辊并保持轧辊在机架中的固定位置。轧辊轴承工作负荷重而变化大，因此要求轴承摩擦系数小，具有足够的强度和刚度，而且要便于更换轧辊。不同的轧机选用不同类型的轧辊轴承。滚动轴承的刚性大，摩擦系数较小，但承压能力较小，且外形尺寸较大，多用于板带轧机工作辊。滑动轴承有半干摩擦与液体摩擦两种。半干摩擦轧辊轴承主要是胶木、铜瓦、尼龙瓦轴承，比较便宜，多用于型材轧机和开坯机。液体摩擦轴承有动压、静压和静动压三种。优点是摩擦系数比较小，承压能力较大，使用工作速度高，刚性好，缺点是油膜厚度随速度而变化。液体摩擦轴承多用于板带轧机支承辊和其他高速轧机。轧辊轴承外形如图2.3所示。 图2.2 轧辊外形 图2.3 轧辊轴承外形轧机机架：由两片“牌坊”组成以安装轧辊轴承座和轧辊调整装置，需有足够的强度和钢度以承受轧制力。机架形式主要有闭式和开式两种。闭式机架是一个整体框架，具有较高强度和刚度，主要用于轧制力较大的初轧机和板带轧机等。开式机架由机架本体和上盖两部分组成，便于换辊，主要用于横列式型材轧机。卷取机：卷取机是将热轧或冷轧钢材卷取成卷筒状的轧钢车间辅助设备，在单机座四辊可逆冷带轧机上则安装在轧机的前后。此外，它也安设在连续酸洗机组、纵剪、退火、涂层等各种精整机组中。在四辊可逆冷轧机上，轧机前后都装有带张力卷筒的卷取机，它们交替地成为主动的或从动的，即一个卷取而另一个展开。在轧制过程中，一般需要保持有前张力和后张力。依靠这些张力，就可以降低轧制时作用在轧辊上的压力，并减少带钢翘曲现象，有利于提高带钢表面质量。卷取机在卷取带钢过程中，钢卷直径在变化，这就引起卷取速度的不断变化。为了使卷取速度与轧制速度相适应，以及带钢轧制时保持张力恒定，要求卷取机的转速是可调的，调速范围应适应轧制速度变化和钢卷直径变化，为此，一般采用可调速的直流电动机传动。在轧制结束后，钢卷要从卷筒上卸下来，因此，卷取机卷筒必须做成悬臂式的。但是，卷筒是在很大张力下卷取带钢的，这样卷筒轴就要承受很大的负荷(包括卷筒重量，带钢卷重量，弯曲带钢和张力所引起的力矩等)。为了保证卷筒轴的刚度和强度，减少卷筒轴的弯曲，除了增大卷筒轴尺寸外，般在卷筒的自由端安装可以转动的支架。当卷取带钢时，支架支撑着卷筒的自由端。而在卸卷时，则支架转向旁，不防碍卸卷。卸卷时，用推卷机或带卸卷小车的推卷机，将钢卷从卷筒推出，然后运走。卷取机示意图如图2.4所示。图2.4 卷取机外形图轧机轨座：用于安装机架，并固定在地基上，又称地脚板。承受工作机座的重力和倾翻力矩，同时确保工作机座安装尺寸的精度。 轧辊调整装置：用于调整辊缝，使轧件达到所要求的断面尺寸。上辊调整装置也称“压下装置”，有手动、电动和液压三种。手动压下装置多用在型材轧机和小的轧机上。电动压下装置包括电动机、减速机、制动器、压下螺丝、压下螺母、压下位置指示器、球面垫块和测压仪等部件。它的传动效率低,运动部分的转动惯性大,反应速度慢,调整精度低。70年代以来，板带轧机采用AGC（厚度自动控制）系统后，在新的带材冷、热轧机和厚板轧机上已采用液压压下装置，具有板材厚度偏差小和产品合格率高等优点。 上轧辊平衡装置：用于抬升上辊和防止轧件进出轧辊时受冲击的装置。形式有：弹簧式，多用在型材轧机上；重锤式，常用在轧辊移动量大的初轧机上；液压式，多用在四辊板带轧机上。换辊装置：为了提高生产效率，要求轧机换辊迅速、方便。换辊方式有 C形钩式、套筒式、小车式和整机架换辊式四种。用前两种方式换辊靠吊车辅助操作，而整机架换辊需有两套机架，此法多用于小的轧机。小车换辊适合于大的轧机，有利于自动化。目前，轧机上均采用快速自动换辊装置，换一次轧辊只需58分钟。传动装置：由电动机、减速机、齿轮座和连接轴等组成。齿轮座将传动力矩分送到两个或几个轧辊上。辅助设备：包括轧制过程中一系列辅助工序的设备。如原料准备、加热、翻钢、剪切、矫直、冷却、探伤、热处理、酸洗等设备。起重运输设备：吊车、运输车、辊道和移送机等。 附属设备：有供、配电、轧辊车磨、润滑，供、排水、供燃料、压缩空气、液压、清除氧化铁皮、机修、电修，以及环境保护等设备。2.2.2 四辊可逆冷轧机的命名按轧制品种、轧机型式和公称尺寸来命名。“公称尺寸”的原则对型材轧机而言，是以齿轮座人字齿轮节圆直径命名；初轧机则以轧辊公称直径命名；板带轧机是以工作轧辊辊身长度命名；钢管轧机以生产最大管径来命名。有时也以轧机发明者的名字来命名（如森吉米尔轧机）。2.3 冷轧工艺流程根据原料和产品的品种、规格，可逆冷轧过程如下，其一般流程见图2.5。酸洗：用连续酸洗机组去除热轧带卷的表面氧化铁鳞。酸液过去用硫酸，现在多用盐酸。酸洗前先行焊接并卷，有的还经连续“黑退火”。酸洗后进行清洗、烘干和剪边、分卷。 冷轧：酸洗后的带坯在冷轧机上轧制到成品厚度，一般不经中间退火。五机架连轧机冷轧总压缩率一般为6080，主要轧制厚度0.33mm的汽车板、搪瓷板和镀锌板。六机架连轧机主要轧制厚度 0.150.5mm的镀锡薄板，冷轧总压缩率一般为7090。轧制中各机架（或道次）压下量分配根据轧机允许的压力、功率和速度，考虑到产量、质量等因素综合制定。图2.5 四辊可逆冷轧工艺流程工艺润滑：起润滑和冷却作用。一般用冷却性能好的乳液，轧制薄或硬的金属时用润滑性能好的纯油润滑剂，例如轧制镀锡薄板或不锈钢用棕榈油等。退火：目的在于消除冷轧加工硬化，使钢板再结晶软化，具有良好的塑性。退火方式有用罩式炉成卷退火和用连续炉退火。成卷退火分为紧卷退火和松卷退火；连续炉退火分为立式连续炉退火和卧式连续炉退火。炉内一般均通入保护气体。目前大多采用罩式炉退火，虽然处理周期长，但因炉子数量多，使用灵活，投资节省。连续炉退火产量大，其中卧式连续炉退火仅用于处理产量少的特殊钢，如硅钢的脱碳退火等。平整：目的在于避免退火后的钢板在冲压时产生塑性失稳和提高钢板的质量（平整度和表面状况）。平整轧机有单机架可逆式和双机架两种,平整压缩率为0.54。双机架平整轧机效率高,压缩率大，可同时兼作二次冷轧用，进一步轧薄钢板;如与五机架连轧机配合,可生产0.100.15mm的带卷。镀层、剪切和包装：需镀层的钢板送镀锌、镀锡或有机涂层机组加工。一般冷轧板于平整后剪切。有纵剪和横剪，纵剪是剪边或按需要的宽度分条，横剪是将带卷按需要长度切成单张板。剪切好的成品板带，经检查分类后，涂防锈油包装出厂。单机架可逆式四辊冷轧机适合于生产多品种、小批量、厚度 0.2mm以上的普通碳钢或低合金钢。单机架四辊可逆冷轧机在单片轧制时没有张力，轧制的产品较厚(1mm)，速度较低(2m/s)，仅用于生产少量特殊用途的钢板。带钢和薄板的单片冷轧方式见图2.6。图2.6 四辊可逆冷轧机的轧制工艺2.3.1 冷轧过程的注意要素冷轧生产的特点是加工温度低，产品表面无氧化铁皮等缺陷，光洁度高，轧制速度快。在酸洗生产过程中应注意：保持防护装置完好，以防机械伤害；注意穿戴要求，以防酸液溅人灼伤。冷轧速度快，清洗轧辊注意站位，磨辊须停车，处理事故时须停车进行，切断总电源，手柄恢复零位。采用X射线测厚时，要有可靠的防射线装置。热处理是保证冷轧钢板性能的主要工序，存在的事故危险有：火灾、中毒、倒炉和掉卷。其防护措施有：在煤气区操作时必须严格遵守煤气安全操作规程，保持通风设备良好；吊具磨损及时更换，以防吊具伤人。在冷轧过程中必须使用冷轧油，使用冷轧油的好处是：有效降低磨擦系数，提供相应的轧制力，轧制能耗低，获得满意的轧制参数；使表面光亮度高、轧延厚度均匀；冷却效果好，能迅速带走轧制热，保护轧辊及轧件。退火性能良好，不会产生油烧现象；有短期的防锈性能，可提供轧件临时防锈保护。3 四辊可逆冷轧机的控制单元可逆式轧制是指带钢在轧机上往复进行多道次的压下变形，最终获得成品厚度的轧制过程。可逆式轧机的设备组成较简单，是由钢卷运送及开卷设备、轧机、前后卷取机和卸卷及输出装置所组成。有的轧机根据工艺要求在轧制前或轧制后增设重卷卷取机。实践证明可逆冷轧机的作用是连轧机或其他形式的冷轧机不能替代的。而且，通过技术改造可逆轧制的工艺质量有了较大的改善和提高。因此，与连轧机一样，可逆冷轧机仍是现代冷轧带钢生产的重要组成部分。四辊式可逆冷轧机是一种通用性很强的冷轧机，因而在冷轧生产中占有较大的比重。其轧制品种十分广泛，除了冲压用冷轧板外，还可轧制镀锡原板、硅钢片、不锈钢板和高强合金钢板，产品厚度为0.153.5mm，宽度为6001550mm，最宽达1880mm，年生产能力一般约为1030万t/a。其轧制过程如图3.1所示。图3.1 四辊可逆冷轧机轧制过程3.1 四辊可逆冷轧机的工作原理四辊可逆冷轧机主要由支撑辊和工作辊组成，工作辊位于支撑辊之间。钢卷经由收放电机驱动开始释放并向工作辊道输送开始轧制。当轧制完成后，经输送辊道向卷取机输送，回收成钢卷，便于搬运和运输。轧制的目的是要得到需要一定厚度的钢材，所以在输送辊道末尾，一般安装了厚度检测仪，如X射线检测装置等，检测出轧制后的厚度，送至PLC，看是否满足国标或厂标要求。如果不能满足轧制要求，再由PLC+变频器+厚度检测仪等组成的厚度闭环自动控制系统，达到自动调节厚度的目的，从而最终得到需要厚度的钢材。3.2 四辊可逆冷轧机各单元的控制冷轧基础自动化系统（L1级）是指从开卷机入口辊道开始到卷取机控制和卸卷小车运输控制为止的整条轧制线上所有设备的控制和质量控制以及数据读入、控制接口、控制值输出等，以及跟踪、顺序控制等。L1级自动化系统以PLC及多CPU控制器为基础，一般采用基于通用工业VME总线的系统。3.2.1 四辊可逆冷轧机传动系统调速四辊可逆冷轧机电气传动的主要对象是速度、位置、加速度及张力等机械参量。其中，调速是传动的最基本的控制形式。它可分为直流调速和交流调速两大类。如前部分所述，直流电气传动具有调速性能好，控制精度高，线路简单，控制方便，过载能力强，能承受频繁冲击负荷等优点，因此，冷轧机主传动一直被直流电机调速系统所占领。但直流电机有电刷磨损、体积大耗铜多、转动惯性大、最大功率受到限制的问题。今年来，由于新型电力电子器件与大规模集成电路的出现和发展，微处理机的广泛应用，以及矢量控制理论的出现，使得大型交流变频调速传动替代直流调速传动成为现实。因此，在新建冷连轧机上，都采用了交流变频调速的新技术。对四辊可逆冷轧机来说，工艺不仅要求电机具有所需要的转速，而且还要求转速不随负载等外界扰动而变化，始终能精确地保持在所需要的数值上。因此，必须对电机的转速进行闭环自动调节。根据上述要求，毫无疑问电气传动应采用变频调速。目前轧钢主机的变频调速传动方案主要有三种：采用晶闸管的交-交变频调速；高压交-直-交变频器；采用大功率可关断器件的交-直-交三电平PWM变频调速。我国从2001年首次开始引进美国GE公司的三电平交直交电压型变频器，用于本溪钢铁厂1700mm热连轧改造项目中，主回路采用IGBT器件，主传动采用同步电机矢量控制，输出电压分别为3300V和6600V两种。系统达到了很高的性能，并且带来占地面积小，维护工作量少，对电网无谐波污染，自动化程度提高的优点。3.2.2 四辊可逆冷轧机的厚度自动控制厚度是板带产品最主要的质量指标。轧件出口厚度波动主要受来料尺寸、温度、接触面摩擦和张力变化的影响。单机架四辊可逆冷轧机轧制过程中板厚度受轧辊辊缝调节控制，连轧厚度可由辊缝或张力这两个变量来调节，它们既有调节数量大小的不同，也有调节快慢的问题。厚度自动控制是通过测厚仪或传感器（如辊缝仪和压头等）对出口轧件厚度连续地进行测量，并根据实测值与给定值相比较的偏差，借助于控制回路和装置或计算机的功能程序，改变压下位置或轧制速度，把厚度控制在允许偏差范围内的方法。实现厚度自动控制系统简称AGC系统。压下位置或轧辊转速的改变要经过一系列过程，才能逐渐使轧件厚度和速度发生改变。一个厚度自动控制系统应由下列几个部分组成：厚度的直接检测或间接构成厚度控制系统是否精确地进行控制，首先取决于厚度或厚度偏差的来源。四辊可逆冷轧机采用X射线非接触式测厚之外，在较低速度情况下还可以采用滚轮式接触测厚仪。测厚仪距离轧机越远，监测信号也就越迟钝，惯性调节就越大。利用实测轧制力和弹跳方程可以间接得到出口轧件厚度，这时滞后很少，但精度有时受到影响。压下有效系数计算调整一定的轧件出口厚度，需要计算相应的辊缝调节量，这需要在轧机弹跳曲线中计算出来。执行机构根据输出的控制信号通过压下电机或液压装置调整压下位置，或通过主电机改变轧制速度，调节带钢的张力，可以实现厚度的控制。控制方式根据轧制过程中对厚度的控制方法不同，一般可分为监控式、厚度计式、张力式、速度式等厚度自动控制系统。按控制方式不同可分为反馈式、前馈式、复合式。图3.2 AGC控制系统框图图3.2是测厚仪厚度自动控制系统的框图。钢材从轧机中轧出之后，通过轧机后面测厚仪测出实际轧出厚度并与给定厚度值相比较，得到厚度偏差，当两者数值相等时，厚度差运算器的输出为零。否则出现厚度偏差，这时便将它反馈给厚度自动控制装置，变换为辊缝调节量的控制信号，输出给压下电机带动压下螺钉作相应的条件，以消除此厚度偏差。四辊可逆冷轧机的控制单元还包括有外置自动控制系统（APC）、连轧张力控制系统等，这里不在一一叙述了。4 电控单元器件的选择及参数设计工业现代化的进程，对生产过程的自动控制和信息通信提出了更高的要求。工业自动化已经从单机的PLC控制发展到多PLC、多变频器及人机界面的网络控制。目前，PLC控制技术、变频器调速技术等已经广泛应用于“制造自动化”和“过程自动化”两大领域，包括钢铁、机械、冶金、石油等各个部门。冶金行业工艺流程十分复杂，节能降耗的空间非常巨大，因此PLC与变频器在冶金行业中得到了广泛的应用。4.1 PLC的简介及选择可编程控制器是工业自动化的基础平台。在工业现场中用于对大量的数字量和模拟量进行控制，例如电磁阀的开闭、电动机的起停、温度压力的设定、产品的计数与控制等。4.1.1 可编程序控制器的特点可靠性高，抗干扰能力强PLC是专为工业环境应用而设计的，故对于可能受到的电磁干扰、高低温及电源波动等影响，已在PLC硬件及软件是设计上采取了措施。如在硬件方面采用了模块式的结构，对易受干扰影响工作的部件采取了电和磁的屏蔽，对I/O接口采用了光电隔离，对电源及I/O接口线路采用了多种滤波等。而在软件方面采用故障检测、诊断、信息保护和恢复等手段，一旦发生异常，CPU立即采取有效措施，防止故障扩大，使PLC的可靠性大大提高。结构简单，应用灵活PLC在硬件结构上采用模块化积木式结构，各种输入输出信号模块、通信模块及一些特殊功能模块品种齐全。针对不同的控制对象，可以方便、灵活地组成不同要求的控制系统。硬件接线简单，一般不需要很多配套的外围设备。编程方便，易于使用PLC采用了与继电器控制电路有许多相似之处的梯形图作为主要的编程语言，程序形象直观，指令简单易学，编程步骤和方法容易理解和掌握，不需要具备专门的计算机知识，只要具有一定的电工和工艺知识。功能完善，适应性强PLC具有对数字量和模拟量很强的处理能力，如逻辑运算、算术运算、特殊函数运算等。PLC具有常用的控制功能，如PID闭环回路控制、中断控制等。PLC可以扩展特殊功能，如高速计数、电子凸轮控制、伺服电动机定位、多轴运动插补控制等。PLC可以组成多种工业网络，实现数据传送、上位监控等功能。4.1.2 PLC的选择四辊可逆冷轧机是一种高精度的可逆冷轧设备，因此对控制设备的控制要求极高。为了保证加工精度、安全性以及易操作性等，四辊可逆冷轧机对电气控制系统提出了以下要求：轧制速度要有较高的稳定裕度，正常轧制时，轧制速度为3060m/min可调，点动速度为5m/min，速度精度为静态1%，轧机快速起停车时间不超过5秒；冷轧操作时要求可以快速频繁起制动。两侧辊缝不平衡时，可单独调整轧机任意两侧压下螺钉；操作方便，并具备必要的显示功能，如轧制线速度、电流、电压、运行状态、故障显示等。轧制的最终目的是得到目标厚度的钢材，整个轧制过程不允许钢材厚度出现太大的波动，因此从轧机末尾出来的钢材厚度必须在控制精度范围内，否则为不合格轧制，所以整个控制系统中心必须具备很高的控制精度。而控制钢材厚度的AGC系统又有着非常复杂的数学模型，必须进行复杂的PID模型运算，而一般的计算机是不能完全正确处理这么复杂多样的数学模型的，必须采用专用的工业控制计算机（PLC）才能满足要求。自动控制系统是代替人工进行操作的，还必须具有很高的可靠性和安全性，才能达到人们的要求。四辊可逆冷轧过程中，当初次轧制后，检测不合格，还必须逆运动回去进行第二次轧制，如此反复，才能轧制成满足国标或厂标的钢带产品。而可逆轧制时，驱动电机必须满足能及时准确的可逆允许。西门子PLC以其强大的功能、优越的性能和良好的稳定性，已经在各行各业生产线控制中被广泛使用，尤其是轧钢领域应用的更是普遍。四辊可逆冷轧机的控制系统对控制器的精度和速度要求都很苛刻，冷轧机产品原料通常都很薄，轧制过程厚度控制难度较大，同时还要对张力、速度进行精确控制。作为高精度的四辊可逆冷轧机，不久要求其控制精度高，同时还要对控制过程的数据进行精确测量，对工艺过程参数做进一步的准确分析和研究。因此，从安全性和可靠性等方面综合考虑，PLC型号选用S7-300系列已能达到要求，因此不必选用拥有更高可靠性的S7-400系列。其PLC整个硬件系统选择为：电源（PS307）；CPU（CPU317）；AI模块（SM331，型号6ES7 331-1KF01-0AB0）；AO模块（SM332,型号6ES7 332-5HD01-0AB0）；DI模块（SM323，型号6ES7 323-1BL00-0AB0）；DO模块（SM322，型号6ES7 322-1CF00-OAA0）；扩展机架（SM338，型号6ES7 338-4BC01-0AB0）。其主要功能有：各液压、润滑站的连锁逻辑及起停控制；各站的液位、压力、温度等信号的监测与报警；各传动的供电、运行、逻辑、故障检测及处理；整个生产线各段在不同运行模式下的各类连锁控制；断带检测及保护动作；自动减速和准确停车。系统中PLC部分接受操作台命令、变频器信号以及轴编码器等，经分析后给出变频器运行信号，并向变频器发出模拟速度信号。此外PLC部分还实时监控系统的运行状态，对各种故障情况进行及时的分析和处理。同时，变频器接受到PLC发出的起/停和运行控制信号，根据给定速度模拟量的大小控制电动机运行。速度控制采用带有速度反馈的矢量控制方式控制电机，并利用数字I/O口设计电机的正反转。4.2 变频器的简介及选择变频器也叫电动机变频器，是一种静止的频率变换器。它能把电力配电网的50Hz恒定频率交流电，变换成可调频率的交流电，供交流异步电动机作电源用。应用变频器不仅可以节约大量的能源，而且还能实现机电一体化。运用它的空间矢量控制技术，可在各行各业改造传统产业，使得电动机在低速时输出较大的力矩。4.2.1 变频器的简介变频器通常都由主电路和控制电路组成。其结构如图4.1所示。图4.1 变频器结构图主电路主要由以下几个部分组成：整流部分 通常又被称为电网侧交流部分，其作用是把三相或单相交流电整流成直流电。常见的低压整流部分是由二极管构成的不可控三相桥式电路或由晶闸管构成的可控三相桥式电路。而对中压大容量的整流